CN1049962A - 低温快速干燥杀菌的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种低温、快速干燥、杀菌的装置，它通过旋转物 料均匀接受微波辐射，又采取上下双头抽真空及无菌 制冷的方法，降低其热效应，减少物料营养物质及活 性成分的损失。固体物料和液体物料加工装置均可 单独构成系统使用。当需要进行高温杀菌时，也可以 关闭制冷及真空系统，提高微波发射功率，瞬间产生 超高温灭菌。

Description

本发明创造涉及人类生活必需的对制药、食品、饮料进行干燥及杀菌的装置和方法。

常用的真空冷冻干燥机，活性物质在冷冻冰晶过程中，物料体内部分细胞组织被破坏而影响品质，设备不单没有消毒杀菌的作用，并且耗能大，处理少、工作效率低;紫外杀菌机，也存在杀菌范围小、时间长、加工过程产生的气味影响物料品质的缺陷;射线辐照的杀菌设备，在对物料辐照处理中，发生电离导致物料变色，产生异味和臭气，不但不能保持物料的色、香、味，而且辐照设备占地面积大、成本高，射线对人的损伤和残毒，使安全操行和防护都十分困难。近年来，国内外开始利用微波的热效应对物料进行干燥和杀菌，但达不到低温的要求，工艺也不够成熟，因此使用范围比较狭窄。

本发明创造的目的，是采用低温、快速、干燥、杀菌的方法，提供一种耗能低、效率高，不破坏物料营养成分和生物活性，不产生不良气味，不存在有害残存物的设备，它具备多种综合功能，既可以用于多种干燥加工行业，又可以对多种类型物料进行杀菌处理;既可以进行生物的加工保鲜，又可以延长多种商品的贮藏期。

图1是本发明创造的方框示意图。

微波发射系统（2）、制冷系统（3）和真空系统（4）通过自控系统（5）作用于谐振腔加工系统（1），物料在谐振腔加工系统（1）的谐振腔中得到低温快速的干燥和杀菌处理，达到保鲜的目的。

图2是总体结构示意图。

图3是谐振腔结构示意图。

图4是谐振腔平面结构图。

图5是无菌制冷空气制备器示意图。

图6是无菌制冷空气制备器平面结构图。

图7是固体物料传送结构示意图。

图8是固体物料及带包装容器结构示意图。

图9是液料罐结构及自流传送示意图。

图2所示的总体结构，除图1所述的五个系统标号外，其他的标号分别表示：（6）真空泵，（7）无菌空气制备器、（8）传送带驱动电机、（9）物料旋转系统、（10）微波泄漏检测仪、（11）红外线温度仪、（12）真空测定仪、（13）水分蒸发显示器、（14）制冷机电磁阀门、（15）自动控制操作台、（16）上抽真空管电磁阀门、（17）下抽真空管电磁阀门。

下面结合图1、2、3、4对谐振腔加工系统进行说明。图3标号分别表示：

（3-1）微波源、（3-2）波导管、（3-3）物料旋转托盘、（3-4）旋转托盘中央卡心、（3-5）旋转轴、（3-6）旋转轴承、（3-7）旋转轴传动齿轮、（3-8）旋转盘驱动电机、（3-9）谐振腔密封门、（3-10）有机玻璃、（3-11）金属丝网、（3-12）橡皮密封圈、（3-13）旋转托盘分隔板、（3-14）分隔板漏水孔洞、（3-15）齿轮上附着的吸收微波层、（3-16）其他微波吸收层、（3-17）隔热层、（3-18）上抽真空管、（3-19）连结制冷管及上抽真空管的三通球形阀门、（3-20）制冷管、（3-21）细菌过滤器、（3-22）下抽真空管、（3-23）下抽真空管开闭开关、（3-24）液料出料管固定基座、（3-25）液料进料管固定基座、（3-26）谐振腔。

谐振腔加工系统主要包括物料旋转装置，谐振腔密封门（3-9）微波吸收装置（3-15）及（3-16）隔热层（3-17）和谐振腔（3-26）。

其中，物料旋转装置由物料旋转托盘（3-3）、旋转托盘中心卡心（3-4），旋转轴（3-5）、旋转轴承（3-6）、旋转传动齿轮（3-7）及旋转盘驱动电机（3-8）组成。旋转盘驱动电机（3-8）通过旋转传动齿轮（3-7）调节，使物料旋转托盘（3-3）每秒旋转一周。

谐振腔密封门（3-9）与谐振腔壳接触部分，有一个橡皮密封圈（3-12），以保证密封门与微波谐振腔体的密封接触。

微波源（3-1）采用915±25兆赫或2450±25兆赫。它通过两个波导管（3-2）将辐射能量传送到微波谐振腔（3-26），微波谐振腔包括物料旋转托盘分隔板（3-13）上下两个部分，微波辐射均匀场是指物料旋转托盘分隔板（3-13）以上的部分。加工过程中物料吸收微波源的剩余能量及谐振腔壁折射的微波能量，通过微波吸收装置吸收，使微波场均匀辐射，也防止微波漏泄。微波吸收装置包括两个部分，即a、在微波源（3-1）输出波导管（3-2）对面的密封门（3-9）内侧，敷设有中间夹金属丝网（3-11）的二层有机玻璃（3-10）;b、谐振腔（3-26）腔体内壁的其他微波吸收层（3-16）和旋转传动齿轮（3-7）上面附着的微波吸收层（3-15）。吸收层是由耐温塑料，有机玻璃，玻璃或陶瓷等材料做成的。另外谐振腔（3-26）腔体内壁与壳之间，有一层隔热层（3-17），以减少外部温度的影响。

真空系统（4）由真空泵（6）、冷凝器（18）、上抽真空管（3-18）、下抽真空管（3-22）、上电磁阀（16）、下电磁阀（17）组成。真空泵（6）启动后，通过上下抽真空管（3-18）（3-22）将谐振腔（3-26）的空气抽除，以达到真空的要求。加工物料蒸发的水分，也通过上下抽真空管（3-18）（3-22）抽至冷凝器（18）排除。

物料在谐振腔（3-26）内微波均匀场进行真空干燥时，水分蒸发很快，因此本发明创造设置了上下两个抽真空管（3-18）（3-22），以达到快速抽去蒸发水分的目的。本发明创造的特色是以保证干燥物料活性特点的低温状态下进行，因此，物料大量水分蒸发物除一部分形成气态由上下抽真空管（3-18）（3-22）抽去以外，还有大量的蒸发水分在低温真空的情况下，迅速变成液滴，由于本发明创造比常用的抽真空方法多设置一个下抽真空管（3-22），液滴可以沿着谐振腔内壁随着真空负压通过下抽真空管迅速抽出，这样不但提高了物料水分蒸发的速度，而且避免了蒸气遇冷形成有重力作用的液滴从上滴下，造成放电打火现象，导致物料烧焦的弊病。

旋转托盘分隔板（3-13）由中心向四周倾斜，其四周与谐振腔（3-26）腔壁交界部分，开设有排列规则或不规则的分隔板漏水孔洞（3-14），它的作用是可以把谐振腔壁流下来的水分迅速通畅抽走。无菌制冷系统由制冷机（5-1），无菌空气制备装置及制冷管道组成。空气进入制冷机（5-1）之前需经过无菌处理。本发明创造在制冷机（5-1）前面装有一个无菌空气制备装置。图5图6中各标号分别表示：制冷机（5-1）、海棉予滤器（5-2）、紫外杀菌灯（5-3）锯齿形塑料分隔板（5-4），超细玻璃纤维（5-5）、精细阻截滤器（5-6）。

空气进入时首先被海棉予滤器（5-2）档住大型灰尘，用锯齿形塑料分隔板（5-4）及超细玻璃纤维（5-5）对空气灰尘进行第一次细滤，然后经过紫外杀菌灯（5-3）杀菌，再经过精密阻截滤器（5-6）进行第二次细滤，二次细滤杀菌后的空气进入制冷机（5-1），经过制冷后的空气，再经过细菌过滤器（3-21）送入谐振腔（3-26）。以保证流入谐振腔的冷空气是无菌的。

对于需要特种气体加工的物料，也可充入氮或其他隋性气体，这种隋性气体可以根据制冷或不制冷的需要，在无菌空气装置的输入口或输出口充入，以便对例如商品物料干燥灭菌，达到长期贮藏的要求。上抽真空管（3-18）及制冷管（3-20）通过一个球形阀门（3-19）与谐振腔（3-26）连接，制冷时，上电磁阀门（16）启动的同时，控制三通球形阀门（3-19）关闭上抽真空管（3-18），使冷空气进入谐振腔（3-26）。在抽真空时，上电磁阀门（16）释放的同时，控制三通球形阀门（3-19）关闭制冷管道（3-20）。

下面结合图7、图8，对固体物料加工进行说明。图7图8中各标号分别表示：取料送料机械手（7-1），升降滑轮（7-2）、中心旋转盘（7-3）、轨道（7-4）、轨道轮（7-5）、纵向传送带（7-6）、横向传送带（7-7）。

下物料箱中心卡套环（8-1）、下物料箱支脚（8-2）、上下物料箱凸凹套脚（8-3）、上物料箱（8-4）及下物料箱（8-5）。

本发明创造采用两种装置，适用于固体物料和液体物料的加工。

当采用固体物料加工时，盛装物料的下物料箱体（8-5）底部中心有一个卡套环（8-1），箱体底部外围还有分布均匀的下物料箱支脚（8-2），重迭箱体用上下物料箱凸凹套脚（8-3）连接固定，使重迭箱体都能随着物料旋转托盘（3-3）转动。

固体物料箱体（8-4）（8-5）经横向传送带（7-7）送到机械手（7-1）位置上，机械手（7-1）是通过中心旋转盘（7-3）旋转90°接受物料箱体（8-4）（8-5）的，然后回转90°通过升降滑轮（7-2）和轨道轮（7-5）送入谐振腔（3-26）的，下物料箱中心卡套环（8-1）与旋转托盘中央卡心（3-4）扣合。

对于需要干燥处理的固体物料，在谐振腔密封门（3-9）关上之后，制冷系统（3）进行予制冷，当谐振腔温度降低到本发明创造要求的温度10℃以下时，三通球形阀门（3-19）关闭了冷空气进入谐振腔（3-26）的通路，真空系统（4）对谐振腔（3-26）进行真空处理，直至谐振腔内达到本发明创造要求的0.005～0.09MPa时，启动并调节微波源（3-1）输出功率达到所需要求。谐振腔（3-26）处于真空低温的环境中，物料在每秒转动一周的物料旋转托盘（3-3）均匀接受微波场的辐射。由于均匀微波场对物料整体的穿透，使物料水分子从其内部向外逸出;由于超高频电磁波的作用，使微生物得到杀灭;由于真空的作用，可以获得低温蒸发，并减少了介质摩擦产热;由于物料在低温环境下干燥，从而保证了生物活性不受破坏。物料所含水分在低温状况下汽化，并迅速被上下抽真空管抽走，使物料得到迅速干燥。这比常规采用物料表面蒸发处理具有不结板，质地疏松，质量好，并且是无菌的特点。

微波对物料辐射的效果，表现在超高频电磁波的直接杀菌作用和微波辐射时介质摩擦产生高热的间接杀菌作用。本发明创造主要利用超高频电磁波的直接杀菌作用。确定对微波发射功率和微波电场强度与介质的吸收微波程度之间的关系，可以有效利用处理时间，调整予制冷和余冷环境温度达到低温快速的效果。本发明创造的功率与功率利用，即发射功率与谐振腔大小，物料的容量配量设计是通过下列公式计算实现的。

1.q＝（0.556×10^-12）（f×E²）（ (e′)/(e°) tanδ）

2.D＝ (3λ。)/(8.68π(e′/e°)1/2 tanδ)

q：为单位时间单位体积吸收之能量W/cm³

f：频率Hz

E：电场强度  V/cm

e′/e°：dielectric  costant

tanδ：dielectric  loss  tangent.

（e′/e°及tanδ为加热材料之物理特性，它随材料而异，f、E决定于所采用之微波发生器）。

D：半功率深度（微波之能量穿透深度以D表示）装置中微波发生器的功率及所产生的电场强度，通过控制系统进行调整，包括磁控管阳极电压，灯丝电压，磁场电流及磁控管阳极电流，以适应不同用途及不同物料情况。

本装置在杀灭繁殖性微生物时只需6-12秒钟，温度小于20℃，比紫外杀菌器效率高25倍。

对枯草芽孢菌，金色葡萄球菌等只需20秒便可全部杀死，温度小于25℃，比紫外杀菌机效率高55倍。

用作低温干燥时，比冻结干燥热移动快20-30倍。

设备费只有冻结干燥的60-70%，运转费只有1/3-1/4的程度，节电50%左右。当物料含水量从80%干至20%只需1-1.5小时，温度小于40℃。

在对物料加工过程中，干燥处理所需时间远比杀菌时间长，因此，本发明创造对干燥物料微生物的杀灭作用是十分明显的。例如对于蜂蜜饮料的杀菌，微波输出功率调整为5KW，频率2450±25MHZ，真空度0.005MPa，谐振腔容积0.4米³，环境温度10℃，杀菌20秒钟，微波谐振腔温度上升至13-14℃。对平均含细菌量170个/mL的蜂蜜饮料，细菌全部杀死，并保持其产品色、香味，经检测符合中华人民共和国卫生标准。对含水量20%的蜂花粉进行低温真空干燥。微波输出功率调整为5KW，频率为2450±25MHZ，真空度0.085-0.09MPa，环境温度10℃干燥20分钟，谐振腔内温升至20℃，干燥后含水量为5%，保持原花粉新鲜程度，并几乎测不出有任何营养损失。平均一个工作班可杀菌安瓿瓶口服液2吨，干燥湿料0.5吨，达到很高的效率。

固体物料杀菌操作与固体物料的干燥操作的区别，主要在启动微波源杀菌的同时，启动制冷系统，谐振腔只保持低温杀菌，不具备真空环境。

固体物料经过干燥或杀菌后，关闭微波源，控制球形阀门使制冷无菌空气进入谐振腔;带有包装的物料由传送带送至包装车间，不带包装的物料则通过无菌通道经过传送带送入无菌包装车间密封包装。

下面结合图9对液体物料的加工进行情况进行说明，图9中各标号分别表示。

园柱形液料罐（9-1），环状散热板（9-2），出料管（9-3）、进料管（9-4）、叶片状搅拌板（9-5）、冷却器（9-6）、无菌泵（9-7）、循环管（9-8）、待处理液料池（9-9）。

通往无菌灌装间的及循环管道的三通阀门（9-10），进料管开闭阀门（9-11）、液料罐套环卡（9-12）、液体物料的杀菌是通过装有液料的耐温塑料园柱形液料罐（9-1），在微波均匀场中低温环境中进行的。园柱形耐温塑料罐（9-1）底部中心与固体物料箱体一样有一个固定的套环卡（9-12），液料罐外侧装有环状散热板（9-2）、液料进料管（9-3）和出料管（9-4）接头分别接在进料管固定基座（3-25）及出料管固定基座（3-24）上;出料管末端装有叶片状搅拌板（9-5）。谐振腔外的出料管连接有冷却器（9-6）和无菌泵（9-7），待杀菌的液体物料从待处理液料池（9-9）开启进料管阀（9-11）进入谐振腔内园柱形液料罐（9-1）杀菌;经过杀菌的液体由无菌泵（9-7）进入冷却器（9-6），再通过开启三通阀门（9-10）传送到无菌包装车间，或关闭通往无菌包装管道，液料可通过循环管（9-8）再次灭菌。

对于需要高温灭菌处理的液体物料加工，也可以关闭制冷系统和真空系统，加大微波辐射功率，使谐振腔产生瞬间高温杀菌。瞬间高温灭菌后的物料，可以经过制冷系统及腔外的冷却器（9-6）迅速冷却，使物料仍然保持较好的活性。

固体物料及液体物料只需某种功能用途的专项处理可以只采用有关部件单独使用。

自动控制系统包括对真空、微波、制冷及加工等系统的控制。

物料干燥的温度或杀菌温度，可以通过设在外部的红外线温度计（11）观察腔体内温度的变化;物料水分蒸发的情况，可以通过连接在物料托盘上的重力弹簧松驰，反映水分的实际蒸发量的显示器（13）观察;表示谐振腔的真空度可以通过真空测量仪（12）观察。微波漏泄超过允许值时除微波泄漏检测仪（11）表示其数值外，还能自动报警并切断微波源。

Claims (4)

1、一种低温快速干燥杀菌的装置，由加工系统，微波系统、制冷系统、真空系统、自控系统组成。其特征是：

A、谐振腔密封门(3-9)与谐振腔接触部分有一个橡皮密封圈(3-12)，谐振腔体底部有一个每秒旋转一周的旋转托盘(3-3)，微波源输出波导管对面的密封门内侧装设有中间夹金属丝网(3-11)的二层有机玻璃(3-10)，谐振腔体内壁及旋转齿轮上，铺设有一层吸收微波材料，微波腔体内壁和外壳间有一个防热层(3-17)；

B、谐振腔体设有上抽真空管(3-18)和下抽真空管(3-22)两个开口，物料旋转盘分隔板(3-13)中心向四周倾斜，其四周与谐振腔壁交界部分设有排列规则或不规则的漏水孔洞(3-14)；

C、无菌空气制备器包括海绵予滤器(5-2)，锯齿型塑料分隔板(5-4)，超细玻璃纤维(5-5)，紫外杀菌灯(5-3)，精密阻截滤器(5-6)和细菌过滤器(3-21)；

D、真空系统和制冷系统在进入谐振腔处设有一个三通球形阀门(3-19)，制冷时关闭真空管道，抽真空时关闭制冷管道；

E、盛装固体物料箱体底部中心有一个与旋转托盘扣合的卡套环(8-1)，底部外围均匀分布有三个支脚(8-2)，两个重叠箱体用凹凸套脚(8-3)连接固定：

F、盛装液体物料的塑料园柱形液料罐(9-1)底部中心有一个与旋转托盘扣合的套环卡(9-12)，液料罐外侧装有环状散热板(9-2)，进料管(9-4)和出料管(9-3)接头分别接到出进料管固定基座(3-24)(3-25)，出料管末端还有叶片状的搅拌板(9-5)，谐振腔外的出料管连接有冷却器(9-6)和无菌泵(9-7)。出料管设有可通密封包装车间或通再循环灭菌管道的三通阀门(9-10)；

G、固体物料箱传送系统有一个横向传送带(7-7)，以及中央旋转盘(7-3)、可以正反旋转90°的机械手(7-1)；

H、自控系统包括红外线温度计(11)，重力弹簧水分蒸发显示仪(13)和真空测量仪(12)、微波泄漏检测仪(10)。

2、一种低温快速干燥杀菌装置的加工方法，其特征是：对干燥杀菌物料加工之前首先对谐振腔体和物料充入无菌冷空气，使谐振腔体温度达到10℃以下，然后关闭制冷通道，对谐振腔体抽真空，当其真空度达到0.005～0.09mpa范围时，开启微波源，对每秒旋转一周的物料进行微波均匀辐射，整个加工过程，上下抽真空管能迅速将水气和水排出谐振腔体，使谐振腔体真空度达到要求，以保证谐振腔内在40℃以下的低温状态杀菌和干燥物料。

3、一种低温快速干燥杀菌装置的加工方法，其特征是：液体物料加工是在低温的微波均匀场中进行的，对于不同要求液体物料的加工，也可以关闭制冷系统和真空系统加大微波辐射功率，使谐振腔产生瞬间高温杀菌，瞬间高温杀菌的物料，可以经过制冷系统及腔外冷却器迅速冷却，从而使物料仍然保持较好的生物活性。

4、根据权利要求1所述的低温快速干燥及杀菌的装置，其特征是：固体物料和液体物料的加工装置都可以单独构成系统使用。

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